TL;DR
PCB-Design folgt einem klaren Workflow: Schaltplan erstellen → Footprints zuweisen → Komponenten platzieren → Leiterbahnen routen → DRC ausführen → Gerbers exportieren → Platinen bestellen. Beginnen Sie mit 2-Lagen-Platinen für einfache Projekte. Verwenden Sie 45°-Leiterbahnwinkel, breite Power-Traces (0,5mm+) und immer eine Ground Plane. Überprüfen Sie, ob die Footprints zu Ihren Komponenten passen, bevor Sie bestellen. Gesamtkosten: ~$2-10 für 5 Prototypen-Platinen.
Einführung
Printed Circuit Boards (PCBs) sind die Grundlage der modernen Elektronik. Vom Smartphone in Ihrer Tasche bis zu Satelliten, die die Erde umkreisen – jedes elektronische Gerät basiert auf PCBs, um Komponenten zu verbinden und Schaltungen funktionsfähig zu machen.
Wenn Sie lernen, eigene PCBs zu entwerfen, eröffnen sich unglaubliche Möglichkeiten. Sie können benutzerdefinierte Elektronik bauen, Erfindungen prototypisieren und Ideen in physische Produkte verwandeln. Und dank erschwinglicher Fertigungsdienstleistungen kostet die Herstellung professioneller Platinen weniger als ein Kaffee.
Dieser Leitfaden deckt alles ab, was Sie wissen müssen, um Ihre erste PCB zu entwerfen – vom Verständnis der Grundlagen bis zur Herstellung und Lieferung der Platinen direkt zu Ihnen nach Hause.
Was Sie lernen werden:
- PCB-Grundlagen und Terminologie
- Die richtigen Design-Tools auswählen
- Der komplette PCB-Design-Workflow
- Layer-Stackups und wann man sie verwendet
- Best Practices für Leiterbahn-Routing
- Häufige Fehler und wie man sie vermeidet
- Fertigung und Bestellung Ihrer Platinen
Was ist eine PCB?
Eine Printed Circuit Board (PCB) ist eine flache Platine aus isolierendem Material mit leitfähigen Bahnen, die auf ihrer Oberfläche geätzt oder gedruckt sind. Diese Bahnen (genannt Traces) verbinden elektronische Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und integrierte Schaltungen (ICs), um eine vollständige Schaltung zu bilden.
Vor PCBs wurden Schaltungen mittels Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung oder Breadboards aufgebaut – Methoden, die langsam, fehleranfällig und unmöglich in Masse zu produzieren waren. PCBs revolutionierten die Elektronik, indem sie konsistente, zuverlässige und skalierbare Fertigung ermöglichten.
Anatomie einer PCB
Das Verständnis der PCB-Anatomie ist essentiell, bevor Sie mit dem Entwerfen beginnen. Hier sind die Hauptkomponenten:
PCB-Komponenten erklärt
- Substrat (FR4)
- Das Basismaterial, typischerweise glasfaserverstärktes Epoxid. Standarddicke ist 1,6mm. FR4 ist feuerhemmend (daher "FR") und bietet strukturelle Unterstützung.
- Kupferschichten
- Dünne Kupferfolie (typischerweise 1oz oder 35μm dick), die auf das Substrat laminiert wird. Diese bilden die leitfähigen Bahnen. PCBs können 1, 2, 4 oder mehr Kupferschichten haben.
- Traces
- Die Kupferbahnen, die Komponenten verbinden. Die Breite variiert basierend auf Stromanforderungen – breitere Traces tragen mehr Strom ohne Überhitzung.
- Pads
- Freiliegende Kupferflächen, an denen Komponenten gelötet werden. Through-Hole-Pads haben Löcher; SMD-Pads sind flache Oberflächen für oberflächenmontierte Komponenten.
- Vias
- Plattierte Löcher, die Traces auf verschiedenen Schichten verbinden. Essentiell für mehrlagige Platinen, um Signale zwischen Ober- und Unterseite (oder internen) Schichten zu routen.
- Solder Mask
- Die farbige Beschichtung (normalerweise grün), die Kupfer vor Oxidation schützt und Lötbrücken verhindert. Erhältlich in verschiedenen Farben: grün, blau, rot, schwarz, weiß.
- Silkscreen
- Der gedruckte Text und die Symbole auf der Platinenoberfläche. Enthält Komponentenbezeichner (R1, C1, U1), Polaritätsmarkierungen, Logos und Montageinformationen.
PCB-Typen
PCBs gibt es in verschiedenen Typen basierend auf Lagenanzahl und Konstruktion:
| Typ | Lagen | Anwendungsfälle | Kosten |
|---|---|---|---|
| Einseitig | 1 | Einfache Schaltungen, Netzteile | Am niedrigsten |
| Doppelseitig | 2 | Die meisten Hobby-Projekte, Arduino-Shields | Niedrig |
| Mehrlagig | 4+ | Komplexe Designs, High-Speed, RF | Mittel-Hoch |
| Flexibel | 1-6 | Wearables, beengte Räume | Hoch |
| Starr-Flex | 4+ | Faltbare Geräte, Luft- und Raumfahrt | Am höchsten |
Für Anfänger bieten 2-Lagen (doppelseitige) PCBs das beste Gleichgewicht zwischen Funktionalität und Kosten. Sie können auf beiden Seiten routen und eine Ground Plane hinzufügen, was die meisten Hobby-Anforderungen erfüllt.
PCB-Design-Tools
Sie benötigen Electronic Design Automation (EDA) Software, um PCBs zu erstellen. Diese Tools ermöglichen es Ihnen, Schaltpläne zu zeichnen, Platinen zu layouten und Fertigungsdateien zu generieren. Hier sind die besten Optionen für 2025:
Tool-Vergleich
EasyEDA (Empfohlen für Anfänger)
Kostenloses, browserbasiertes Tool mit integrierter JLCPCB-Bestellung. Riesige Komponentenbibliothek. Keine Lernkurve.
- ✓ 100% kostenlos, keine Einschränkungen
- ✓ Funktioniert auf jeder Plattform
- ✓ 1M+ Komponenten mit Footprints
- ✓ Direkte JLCPCB-Integration
KiCad
Kostenloses, Open-Source-Profi-Tool. Steilere Lernkurve, aber leistungsfähigere Funktionen.
- ✓ Kostenlos und Open-Source
- ✓ Professionelle Features
- ✓ Große Community
- ✓ Kein Vendor Lock-in
Altium Designer
Industriestandard für Profis. Teuer, aber funktionsvollständig. Steile Lernkurve.
- ✓ Industriestandard
- ✓ Erweiterte Features
- ✗ ~$5.000/Jahr Lizenz
- ✗ Nur Windows
Autodesk EAGLE
Beliebte Hobby-Wahl, jetzt im Besitz von Autodesk. Kostenlose Version hat Größenbeschränkungen.
- ✓ Große Benutzer-Community
- ✓ Gute Tutorials verfügbar
- ✗ Kostenlose Version auf 2 Lagen begrenzt
- ✗ 80cm² Platinengröße-Limit (kostenlos)
Unsere Empfehlung: Beginnen Sie mit EasyEDA wenn Sie neu im PCB-Design sind. Es hat die sanfteste Lernkurve und Sie können an einem Nachmittag vom Schaltplan zu bestellten Platinen kommen. Wechseln Sie zu KiCad, wenn Sie fortgeschrittenere Features benötigen oder ein Offline-Tool wünschen.
Der PCB-Design-Workflow
Jedes PCB-Design folgt dem gleichen grundlegenden Workflow, unabhängig davon, welches Tool Sie verwenden. Das Verständnis dieses Prozesses hilft Ihnen, effizient zu arbeiten und kostspielige Fehler zu vermeiden.
Schritt 1: Schaltplan-Design
Alles beginnt mit einem Schaltplan – einem symbolischen Diagramm, das zeigt, wie Komponenten elektrisch verbunden sind. Der Schaltplan ist Ihre "Single Source of Truth" und sollte korrekt sein, bevor Sie zum Layout übergehen.
Wichtige Schaltplan-Praktiken:
- Verwenden Sie hierarchisches Design für komplexe Schaltungen – unterteilen Sie in funktionale Blöcke
- Fügen Sie Power-Symbole hinzu (VCC, GND) anstatt überall Leitungen zu zeichnen
- Beschriften Sie alle Netze mit aussagekräftigen Namen – hilft beim Debugging
- Fügen Sie Bypass-Kondensatoren ein nahe jedem IC-Power-Pin (typischerweise 100nF)
- Führen Sie ERC aus (Electrical Rule Check), um Verbindungsfehler zu finden
Schritt 2: Footprints zuweisen
Jedes Schaltplan-Symbol benötigt einen entsprechenden Footprint – das physische Pad-Layout zum Löten. Hier machen viele Anfänger kritische Fehler.
Kritische Warnung: Falsche Footprints sind die Ursache #1 für unbrauchbare PCBs. Überprüfen Sie immer die Footprint-Abmessungen gegen das Komponentendatenblatt. Ein 0603-Widerstand-Footprint akzeptiert keinen 0805-Widerstand – Ihre Komponenten passen einfach nicht.
Gängige Gehäusegrößen für SMD-Komponenten (metrische Namen in Klammern):
- 0402 (1005): Winzig, erfordert Reflow-Löten
- 0603 (1608): Klein, mit Übung handlötbar
- 0805 (2012): Einfach handlötbar, empfohlen für Anfänger
- 1206 (3216): Groß, sehr einfach handlötbar
Schritt 3: Komponentenplatzierung
Gute Platzierung macht das Routen einfacher und verbessert die Leistung. Denken Sie über Signalfluss nach und halten Sie verwandte Komponenten zusammen.
Platzierungs-Richtlinien
- 1.Platzieren Sie Steckverbinder zuerst an Platinenkanten für mechanische Passform
- 2.Positionieren Sie ICs und ordnen Sie Unterstützungskomponenten um sie herum an
- 3.Setzen Sie Bypass-Kondensatoren innerhalb von 3mm zu IC-Power-Pins
- 4.Trennen Sie analoge und digitale Bereiche, um Rauschen zu reduzieren
- 5.Lassen Sie Platz für Routing zwischen Komponenten
- 6.Berücksichtigen Sie Wärmemanagement für Leistungskomponenten
Schritt 4: Leiterbahn-Routing
Routing verbindet Komponenten-Pads mit Kupferbahnen. Hier geschieht die Magie – Ihr Schaltplan wird zu einer physischen Schaltung.
Die meisten Designs routen in dieser Prioritätsreihenfolge: kritische Signale → Power → alles andere. Wir behandeln Routing-Best-Practices ausführlich unten.
Schritt 5: Design Rule Check (DRC)
DRC überprüft, ob Ihr Design die Fertigungsanforderungen erfüllt. Gängige Regeln umfassen:
- Minimale Leiterbahnbreite: 0,15mm (6 mil) Standard
- Minimaler Abstand: 0,15mm zwischen Leiterbahnen
- Minimale Bohrgröße: 0,3mm für Vias
- Annular Ring: Kupfer um Löcher herum
Überspringen Sie niemals DRC. Fehler nach der Fertigung zu beheben ist teuer – sie in der Software zu beheben ist kostenlos.
Schritt 6: Gerber-Dateien generieren
Gerber-Dateien sind das Industriestandardformat für PCB-Fertigung. Ihr EDA-Tool exportiert eine ZIP-Datei, die Folgendes enthält:
- Kupferschichten (GTL, GBL für Ober-/Unterseite)
- Solder-Mask-Schichten (GTS, GBS)
- Silkscreen-Schichten (GTO, GBO)
- Platinenumriss (GKO)
- Bohrdatei (DRL)
Laden Sie diese ZIP-Datei auf die Website Ihres Herstellers hoch, konfigurieren Sie Optionen (Farbe, Dicke, Menge) und bestellen Sie.
Layer-Stackups verstehen
Der Layer-Stackup bestimmt, wie Kupferschichten und Substrat in Ihrer PCB angeordnet sind. Diese Wahl beeinflusst erheblich Kosten, Routing-Schwierigkeit und elektrische Leistung.
2-Lagen vs. 4-Lagen: Wann was verwenden
Wählen Sie 2 Lagen wenn:
- ✓ Einfache Schaltungen mit wenigen Komponenten
- ✓ Niederfrequenz-Designs (<10MHz Signale)
- ✓ Budget ein Hauptanliegen ist
- ✓ PCB-Design lernen
- ✓ LED-Projekte, einfache Sensoren, grundlegende Arduino-Shields
Kosten: ~$2 für 5 Platinen bei JLCPCB
Wählen Sie 4 Lagen wenn:
- ✓ Nicht auf 2 Lagen routbar
- ✓ High-Speed-Signale (USB 2.0+, SPI >20MHz, DDR-Speicher)
- ✓ Dedizierte Power- und Ground-Planes benötigt werden
- ✓ EMI/EMC-Konformität erforderlich ist
- ✓ RF-Schaltungen oder empfindliche Analogtechnik
Kosten: ~$20-30 für 5 Platinen bei JLCPCB
Faustregel: Beginnen Sie mit 2 Lagen. Wenn Sie nicht alles routen können oder Signalintegritätsprobleme haben, wechseln Sie zu 4 Lagen. Die meisten Hobby-Projekte funktionieren gut auf 2 Lagen.
Leiterbahn-Routing Best Practices
Gutes Routing trennt funktionierende Platinen von problematischen. Befolgen Sie diese Richtlinien, um zuverlässige, fertigbare Designs zu erstellen.
Leiterbahnbreiten-Richtlinien
Die Leiterbahnbreite bestimmt, wie viel Strom eine Leiterbahn tragen kann, ohne zu überhitzen. Die Beziehung folgt den IPC-2221-Standards:
| Leiterbahntyp | Breite | Max. Strom (ungefähr) |
|---|---|---|
| Signal-Leiterbahnen | 0,15-0,25mm | ~0,5A |
| Power-Leiterbahnen (niedrig) | 0,5mm | ~1A |
| Power-Leiterbahnen (mittel) | 1,0mm | ~2A |
| Hoher Strom | 2,0mm+ | ~4A+ |
Für präzise Berechnungen verwenden Sie einen PCB Leiterbahnbreiten-Rechner der Kupfergewicht, Temperaturanstieg und ob Leiterbahnen intern oder extern sind berücksichtigt.
Routing-Regeln
Verwenden Sie 45°-Winkel
Routen Sie Leiterbahnen in 45°-Winkeln statt 90°. Scharfe Ecken können bei der Fertigung Säurefallen verursachen und Signalreflexionen bei hohen Frequenzen. Die meisten EDA-Tools verwenden standardmäßig 45°-Routing.
Halten Sie Leiterbahnen kurz
Kürzere Leiterbahnen haben niedrigeren Widerstand und Induktivität. Optimieren Sie die Platzierung, um Leiterbahnlängen zu minimieren, besonders für Hochfrequenzsignale und Power.
Vermeiden Sie Kreuzung empfindlicher Signale
Routen Sie analoge und digitale Signale nicht parallel oder lassen Sie sie sich kreuzen, ohne eine Ground Plane dazwischen. Übersprechen kann mysteriöse Störungen verursachen.
Verwenden Sie Thermal Reliefs
Pads, die mit großen Kupferflächen verbunden sind, sollten Thermal Reliefs (Speichenmuster) haben, damit sie gelötet werden können, ohne dass die Fläche als Wärmesenke wirkt.
Ground Planes: Warum sie wichtig sind
Eine Ground Plane ist eine große Kupferfläche, die mit GND verbunden ist. Jede seriöse PCB sollte eine haben. Vorteile umfassen:
- Weniger Rauschen: Signale haben direkte Rückführpfade
- Bessere EMI: Die Fläche schirmt gegen Strahlung ab
- Niedrigere Impedanz: Stromversorgung verbessert sich
- Wärmeverteilung: Das Kupfer dissipiert Wärme
Für 2-Lagen-Platinen verwenden Sie die Unterseite hauptsächlich als Ground Plane. Für 4-Lagen-Platinen ist Schicht 2 typischerweise eine durchgehende Ground Plane.
Häufige Anfängerfehler
Lernen Sie aus den Fehlern anderer. Hier sind die häufigsten Fehler, die PCB-Projekte ruinieren:
1. Falsche Footprints
Der häufigste Fehler. Überprüfen Sie immer Footprint-Abmessungen gegen das tatsächliche Komponentendatenblatt. Vertrauen Sie Bibliotheks-Vorgaben nicht blind. Testen Sie, indem Sie 1:1 drucken und Komponenten auf Papier platzieren.
2. Keine Ground Plane
GND als einzelne Leiterbahnen zu routen verursacht Rauschen, EMI-Probleme und unzuverlässigen Betrieb. Verwenden Sie immer eine Ground Plane auf mindestens einer Lage.
3. Dünne Power-Leiterbahnen
Power-Leiterbahnen führen erheblichen Strom und müssen entsprechend dimensioniert sein. Eine zu dünne Leiterbahn wird sich erwärmen, Widerstand hinzufügen und möglicherweise ausfallen. Verwenden Sie mindestens 0,5mm für Power.
4. Fehlende Entkopplungskondensatoren
Jeder IC benötigt 100nF Keramikkondensatoren, die so nah wie möglich an Power-Pins platziert sind. Wenn sie fehlen, verursacht das Rauschen, Instabilität und zufällige Ausfälle.
5. DRC-Fehler ignorieren
"Es ist wahrscheinlich in Ordnung" ist nie wahr. Abstandsverletzungen verursachen Kurzschlüsse. Nicht verbundene Netze bedeuten fehlende Verbindungen. Beheben Sie jeden Fehler vor der Bestellung.
6. Silkscreen nicht überprüfen
Silkscreen-Text über Pads wird während der Fertigung entfernt. Komponentenbezeichner helfen bei Montage und Debugging – stellen Sie sicher, dass sie lesbar und korrekt positioniert sind.
7. Komponenten zu nah an Platinenkante
Halten Sie Komponenten mindestens 3mm von Platinenkanten entfernt. Hersteller benötigen diesen Abstand für die Handhabung während der Produktion. Kantenmontagesteckverbinder sind Ausnahmen.
PCB-Fertigung
Dank chinesischer Hersteller war es noch nie billiger oder einfacher, professionelle PCBs zu bekommen. Sie können Platinen in 1-2 Wochen für ein paar Dollar auf Ihrem Schreibtisch haben.
Einen Hersteller wählen
| Hersteller | Preis (5 Stück) | Lieferzeit | Am besten für |
|---|---|---|---|
| JLCPCB | $2 + Versand | 7-14 Tage | Bestes Preis-Leistungs-Verhältnis, EasyEDA-Integration |
| PCBWay | $5 + Versand | 7-14 Tage | Gute Qualität, Montagedienstleistungen |
| OSH Park | $5/sq inch | 2-3 Wochen | US-basiert, lila Platinen |
| Seeed Fusion | $5 + Versand | 7-14 Tage | PCBA, flexible PCBs |
Fertigungsspezifikationen
Bei der Bestellung müssen Sie diese Parameter angeben:
Empfohlene Spezifikationen für Anfänger
- Lagen
- 2 (hier beginnen)
- Dicke
- 1,6mm (Standard)
- Kupfergewicht
- 1oz (35μm)
- Lötstopplack
- Grün (am günstigsten)
- Oberflächenveredelung
- HASL bleifrei (Handlöten)
- Silkscreen
- Weiß
- Menge
- 5 (Minimum bei den meisten Herstellern)
Profi-Tipp: Die meisten Hersteller zeigen eine Vorschau Ihrer Gerber-Dateien vor der Produktion. Überprüfen Sie diese Vorschau immer sorgfältig – sie zeigt genau, was Sie erhalten werden.
Häufig gestellte Fragen
Wie lange dauert PCB-Design für Anfänger?
Eine einfache Platine (LED-Schaltung, Breakout-Board) dauert 1-4 Stunden, sobald Sie den Workflow verstehen. Komplexe Platinen mit MCUs können einen Tag oder mehr dauern. Ihre erste Platine wird länger dauern, während Sie lernen – rechnen Sie mit 4-8 Stunden inklusive Tutorial-Zeit.
Kann ich PCBs auf Mac/Linux/Chromebook entwerfen?
Ja! EasyEDA läuft in jedem modernen Browser, funktioniert also auf jeder Plattform. KiCad hat native Mac- und Linux-Versionen. Altium benötigt Windows.
Was ist die Mindestbestellmenge?
Die meisten chinesischen Hersteller (JLCPCB, PCBWay) haben ein Minimum von 5 Platinen für $2-5. OSH Park hat kein Minimum – Sie zahlen pro Quadratzoll. Für Prototyping sind 5 Platinen tatsächlich großartig: Sie werden wahrscheinlich Fehler machen und Ersatz zum Testen wollen.
Sollte ich Through-Hole- oder SMD-Komponenten verwenden?
SMD (Surface Mount) ist der moderne Standard – kleiner, billiger und mehr Komponenten sind verfügbar. Größe 0805 (2mm x 1,2mm) ist einfach mit einem feinen Lötkolben handlötbar. Verwenden Sie Through-Hole für Steckverbinder und Komponenten, die mechanische Festigkeit benötigen.
Woher weiß ich, ob mein Design funktionieren wird?
Zuerst auf einem Breadboard prototypisieren, wenn möglich. Dann: Schaltplan auf Korrektheit überprüfen, ERC und DRC ohne Fehler ausführen, alle Footprints gegen Datenblätter doppelt prüfen und jemand anderen Ihr Design überprüfen lassen. Für kritische Projekte die Platine 1:1 auf Papier drucken und tatsächliche Komponenten darauf platzieren.
Was ist, wenn ich einen Fehler mache?
Jeder macht Fehler – deshalb sind Prototyp-Platinen billig. Kleine Fehler können oft mit Bodge-Wires behoben werden. Falsche Footprints oder fehlende Verbindungen erfordern eine neue Revision. Die Kosten für Behebung in Software ($0) vs. Behebung in Hardware ($20+ und Zeit) sind der Grund, warum Überprüfung so wichtig ist.
Nächste Schritte
Sie haben jetzt eine solide Grundlage im PCB-Design. So können Sie Ihr Lernen fortsetzen:
- Entwerfen Sie Ihre erste Platine – Beginnen Sie mit etwas Einfachem wie einem LED-Blinker oder Breakout-Board
- Folgen Sie unserem EasyEDA-Tutorial – Komplettes EasyEDA-Tutorial 2025 führt Sie Schritt für Schritt durch ein echtes Projekt
- Bestellen Sie Ihre Platinen – Nichts schlägt das Gefühl, Ihre eigene PCB in den Händen zu halten
- Lernen Sie aus Fehlern – Ihre erste Platine wird wahrscheinlich nicht perfekt sein, und das ist in Ordnung
- Iterieren und verbessern – Jedes Design lehrt Sie etwas Neues
Analysieren Sie Ihre Schaltpläne mit KI
Schemalyzer verwendet KI, um Ihre EasyEDA-Schaltpläne zu überprüfen, Fehler zu finden und Verbesserungen vorzuschlagen, bevor Sie PCBs bestellen. Fangen Sie Fehler, die DRC übersieht.
Empfohlene Ressourcen
- Komplettes EasyEDA-Tutorial (2025)
- PCB Leiterbahnbreiten-Rechner
- Phil's Lab YouTube (exzellente Tutorials)
- All About Circuits (Theorie und Tutorials)
Viel Erfolg beim Entwerfen! Die PCB-Design-Community ist einladend und hilfsbereit – zögern Sie nicht, Fragen in Foren zu stellen oder Ihre Arbeit für Feedback zu teilen.